1、本科毕业论文（20 届）超声振动条件下振幅对车刀能量分布及磨损状况分析所在学院专业班级 机械设计制造及其自动化学生姓名指导教师完成日期诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目： 超声振动条件下振幅对车刀能量分布及磨损状况分析 1设计的主要任务及目标1）查阅相关资料文献，了解超声振动特点。2）建立超声振动数学模型，学习有限元分析软件。3）分析振幅对车刀基体及涂层能量分布及磨损状况的影响规律，并实验验证。通过毕业设计分析车刀涂层磨损及剥落的机理，为车刀涂层设计提供一定的
2、理论指导。 2设计的基本要求和内容1）建立超声振动数学模型（振动频率、振幅、外加载荷与受力状况之间的关系）。2）应用有限元法分析振幅对车刀能量分布及磨损状况的影响规律。3）实验验证车刀涂层磨损及剥落与振动频率之间的关系。4）撰写毕业论文。结构完整，层次分明，语言顺畅；格式符合机械工程系学位论文格式的统一要求。3主要参考文献1.段忠福；超声波振动辅助车削系统机理分析；2010 年 2 月2.李旭，刘震；超声加工中振幅衰减的原因分析；中国民航学院学报；20001 期3.原丰霞；基于 ANSYS 的超声变幅杆的优化设计；机械工程师，2004 年4、进度安排设计各阶段名称 起 止 日 期1 查阅文献，
3、了解研究目的意义，完成开题报告 2014.12.01 至 2014.12.312 广泛阅读相关文献，制定研究方案 2015.01.01 至 2015.03.103 建立超声振动数学模型 2015.03.11 至 2015.03.304 完成有限元分析，中期检查 2015.04.01 至 2015.04.305 实验验证有限元分析结果 2015.05.01 至 2015.05.156 撰写毕业论文，准备答辩 2015.05.16 至 2015.06.10审核人：_ 年 月 日I超声振动条件下振幅对车刀的能量分布及磨损情况分析摘要：随着科学技术以及现代化机械技术的迅猛发展，特种的加工在技术层面上得
4、到了很大的突破，其中发展最为迅猛的当属超声振动加工技术。超声振动加工技术可以提高工件的使用寿命，确保生产和设备正常运转，在很大的程度上降低了工件所需的生产成本，使生产效率在原有的基础上大大得到了提升，让做出的工件更美观，使用价值更高。在当代超声振动技术已经踏入了很多领域，例如国防、科学研究、日常生活等。本文首先叙述了关于超声振动机理的内容，然后详细的说明了超声振动加工系统的运行过程，定义了净切削比，研究了净切削比和振幅、切削力以及切削速度的关系。本文建立了车削加工系统，利用 ANSYS 软件模拟了切削过程以及模态分析，同时进行了实验验证，对涂层刀具以及原有的车刀进行了车削实验的比较，从而达到实
5、验目的。关键词：超声波；振动车削；净切削比；有限元分析.Ultrasonic vibration amplitude under the condition of energy distribution of cutting tool and wear condition analysisAbstract:With the rapid development of science, technology, modern machinery and technology, special processing at the technical level has been a major bre
6、akthrough, which was undoubted the most rapid development of ultrasonic vibration processing technology. Ultrasonic vibration processing technology can improve the life of the workpiece, to ensure normal operation of equipment production and, to a great extent, reduce the production cost of the requ
7、ired parts, so that production efficiency on the basis of the original has been greatly improved, so that made piece is more beautiful, more value. In contemporary ultrasonic vibration technology it has entered a number of areas, such as national defense, scientific research and daily life.This pape
8、r describes the details about the mechanism of ultrasonic vibration, and a detailed description of the ultrasonic vibration during operation processing system, the definition of net cutting than to study the amplitude ratio and the net cutting, cutting force and cutting speed relationship. This pape
9、r established a turning system, using ANSYS software simulation of the cutting process as well as modal analysis, and experimental verification of coated tools and existing tools were compared with the experiment of turning to achieve the purpose of the experiment.IIKeywords：Ultrasonic ；Vibration tu
10、rning；Net cutting time ratio；Finite element analysis.目 录1 绪论 .11.1 课题背景 .11.2 国内外研究发展现状 .21.2.1 超声振动系统 .31.2.2 超声振动切削理论 .41.2.3 超声车削加工系统 .51.3 论文的主要研究内容 .92 超声振动车削理论 .102.1 超声波的基本原理和特点 .102.2 超声加工的基本原理 .102.2.1 超声振动切削基本原理 .122.2.2 切削力 .142.2.3 振幅的影响 .162.2.4 切削速度的影响 .182.3 本章小结 .203 超声振动车削系统建立以及有限元分
11、析 .213.1 超声振动切削系统 .213.1.1 换能器 .213.1.2 变幅杆 .233.1.3 超声波信号发生器 .243.1.4 振动切削刀具 .263.2 振动切削系统的建立以及有限元分析 .263.2.1 ANSYS 软件的简介 .263.2.2 模态分析过程 .263.3 本章小结 .304 切削实验的进行与研究 .314.1 切削实验 .31III4.1.1 实验设备的选择 .314.1.2 实验过程 .324.1.3 实验结果 .324.2 本章小结 .345 总结与展望 .355.1 总结 .355.2 展望 .35参考文献 .36致 谢 .37太原工业学院毕业设计11
12、 绪论1.1 课题背景超声波技术，简称超声技术，它出现在 20 世纪初期。在经历了 100 年的发展之后，超声技术变成了声学中很重要的一个章节，在当代超声振动技术已经踏入了很多领域，例如国防、科学研究、日常生活等。超声技术完成主要分为三个过程，分别为超声波的产生、超声波的传播以及超声波的接收。按超声波辐射大小不同，超声技术的使用可分为两大方面：一是通过超声波的能量来使材料的状态发生变化，这一类叫做功率超声；第二类是利用它收集很多重要的资料，称为检测超声。在超声学中功率超声是其研究的非常重要的一个课题，在这个科学技术发展迅猛的年代，功率超声的应用渗透到了海、陆、空的很多领域。 近年来，航天技术、
13、军用技术、原子能技术以及电子技术等的快速发展，使得产品的材料性能必须朝着更好的方向迈进。其前提条件是材料在温度高、应力大的状态工作，且要求耐腐蚀、耐磨损性能，使用很多非金属材料，以上说的具有高硬度、高强度、低塑性和高脆性、有微观硬质点或夹杂物特点，被称为难加工材料，这些材料在制作工程中使得切削力变大，切削所需的温度变高，刀具的使用寿命变低，加工过的工件表面变得粗糙，切削过程无法正常进行，出现的上述问题会使得加工变慢和工件的表面粗糙度上升。近年来，很多科学人员就利用过超声振动技术来加工上文所说的材料，取得了一定的成绩。研究证明，超声振动切削技术可以克服难加工材料在加工过程中遇到的很多困难，比原有
14、的切削技术有了很大的突破。目前，超声振动切削加工技术的发展遍布很多领域，其包括车削、钻孔和镗孔、冲击加工、磨削、超声波塑性材料制作以及复合材料制作等方面发展，在这方面有了很大的成就。当前超声振动切削还有很多技术问题要去解决, 这些技术问题会阻碍超声切削技术向着更好的方向迈进, 它使得超声切削技术不得不继续进行试验探究，严重阻碍了其应用于实际生产的步伐，是一块让人难以逾越的绊脚石。超声振动切削技术解决了原本的切削加工中固有的问题，例如切削中的工件不稳定和切削时刀具变形等问题，为细长轴及薄壁零件等易变形零件加工、软质、脆太原工业学院毕业设计2硬及低熔点材料加工提供了解决方案。本课题以超声振动切削为
15、中心来研究，借助有限元分析软件，通过对超声车削理论，超声设备和切削试验的研究，完成其在实际的工件加工中的使用，目标是提高工件的加工效率、降低工件加工的表面粗糙度以及降低工件的生产成本。1.2 国内外研究发展现状 在最近的几十年来，人们对超声波技术研究进程一直在大幅度的前进着，其在很多方面已经得到应用，例如工业建设、农业建设、国防建设、电子技术、能源工程、材料工程、生物工程、医学研究和环境保护等行业机构，并且它的发展范围已经遍及到很多新的生产和生活领域，比方说 、 、 、超 声 马 达 超 声 切 削 超 声 清 洗、 等 。超声振动加工遍及的地方非常广，现在其应用在工超 声 化 学 超 声 悬
16、 浮 领 域业生产中下面几个地方： 、 、 和 、超 声 钻 孔 超 声 切 削 超 声 研 磨 抛 光。超声振动切削在工业加工很多反面都得到应用，例如车、铣、超 声 金 属 塑 性 加 工刨、磨等。1.国外进展美、日、苏、法、联邦德国等工业发达国家十分重视超声波振功切削的研究和应用,近几年来取得较大进展.超声波振动切削工艺不仅在拉丝、焊接、钻中心孔和光整加工中得到应用,而且成功的应用于车、刨、钻、镗、磨等工艺中.很多在实验中的系统已经转变到了工业生产中，其在生产中的地位已经得到了很多人的认可。他们在精密加工和难切削材料、难加工工件的加工方面,体现了独到的优越性。在日本，超声波振动切削技术已经
17、被应用于普通设备中,而且也在精密机床、数控机床上得到了应用。2.国内进展当前我国,超声波振动切削的试验研究已从开始的引进阶段到逐步向应用技术性研究过渡,并取得一定成效。例如:25。、2000W 各种超声波振动电源设备和切削装置的相继诞生,并在使用中经历了很大的考验;利用超声波振动切削有效地对难加工材料的 、 和 、 进行加工;通过硬质合金车刀替小 径 深 孔 小 螺 纹 孔 薄 壁 零 件 细 长 轴 零 件代天然金刚石车刀对过共晶高硅铝合金活塞进行超声波振动车削实验从而获得成功；超声振动切削技术已经能加工很多难加工的材料,成熟的超声波振动的很多工艺技术太原工业学院毕业设计3已经可以用于很多工
18、件的加工，等等。1.2.1 超声振动系统超声振动是通过超声发生器将 220V 或 380V 的交流电转换成功率为 300W 和频率为 15kHz 以上的超声频电振荡信号，在将电信号加到换能器上，使其产生同频率的机械振动，此振动通过调幅器将振幅放大，最终在工具端部产生足够大的机械振动幅值。超声波发生器由四部分组成，分别为 、 、 和振 荡 器 电 压 放 大 器 功 率 放 大 器输出变压器组成。在这四部分中，我们把振荡器作为超声波发生器的 CPU。在超声波加工中，超声波发生器产生的波形有两种，分为正弦波和非正弦波，一般常用的为正弦波。超声换能器是在超声波频率存在的范围内可以完成声信号与电信号相
19、互转换的一种器件，常用的换能器有磁滞换能器和压电换能器。超声调幅器在超声波发生器中是很重要的一部分，它的作用是把超声换能器传递的电能转变成机械能再传递给要被加工工件，是功率超声振幅的机械放大级，用以提高超声加工功效。早在 1959 年，我国便开始进行超声振动加工，由于当时经济还处于落后状态，超声振动系统的很多设备不完善，导致无法进行超声加工的后续的研究工作，一度陷入技术停滞不前的状态。1960 年初，哈尔滨工业大学的一些研究人员通过超声振动加工技术加工了一批航天飞行器所用的铝制细长轴，他们发现这种切削技术比原有的切削技术有明显的好处，切削出的工件更美观。但是，此项技术到了 1979 年的时候才
20、重新受到国家技术部门的重视。换能器方面，20 世纪 60 年代以后集中研究夹心式压电换能器,用等效网络建立一维理论。给出有力、电负载和损耗时换能器的共振频率和效率表达式，提出决定换能器最大效率的参量,指出最佳设计方向。1982 年，上海钢材厂、 及 研发了超声波拉管中 国 科 学 院 声 学 研 究 所 上 海 超 声 波 仪 器 厂装置，这一项发明为我国在金属塑性加工中弥补了缺陷。1985 年，机械电子工业部第 11 研究所研发成功了 ，在 、 、 等硬脆超 声 旋 转 加 工 机 玻 璃 陶 瓷 激 光 晶 体YAG材料的钻孔、套料、端铣、内外圆磨削及螺纹这些切削过程中，都得到了很好的结果
21、。华中理工大学伍世虔等人将低频系统用大螺纹的攻丝，蜗杆机构增力。他们采用单片机控制步进电机驱动电源，电机带丝锥按要求反复进退，工件不动，通过靠模螺母将主轴沿圆周方向的振动转换为丝锥螺纹升角方向上的振动，靠模螺母上下各垫一块蝶形簧，使得切入后工件距完全取决于丝锥。沈阳航空工业学院的研究人太原工业学院毕业设计4建立超声扭转振动系统，通过磁致伸缩换能器，来完成超声波发生器电振荡与超身波的机械振动的转变。1.2.2 超声振动切削理论在一般的切削系统中，通过刀具、工件以及它们之间的切削运动来完成整个切削的流程。工件的切屑以及切削过的工件表面，本质上是被加工的工件收到切削刀具的压迫，产生弹性变形和塑性变形
22、，使得工件本体与切屑分开。在切削过程中，刀具一直在切削，刀具的作用表现在两个方面：一个是刀具刀刃切削作用，一个是形成刀刃的刀面压迫作用。在切削过称中由于刀刃与工件在接触处相互作用产生的力很大，迫使切屑与工件分离。同时刀面在切削的过程中挤压被切削的部分，加剧了分离的进行。在传统的切削过程中，都会有切屑产生，刀具与工件同时压迫被切削处以及它们之间的摩擦作用，促使切削过程中产生很大的切削热与切削力，这些都会使刀具的磨损加剧以及工件加工时不稳定。然而凡事有坏的一面，也就有它好的一面，它的优点:在切削过程中切削功率会相对于原有的切削过程降低,切屑形态会变小，切削的形成条件得到改变，并且切屑的形态也会发生
23、变化等。因此我们可以做出这样一个假设：以转变材料的可加工性为起点，技术人员在普通切削中施加有规律的振动在切削系统中，使它的特点发挥到极致避免缺陷产生。切削加工的过程就是工件材料塑性变形的过程，工件被切削处的形态变化以及刀具的损坏情况，与刀具与工件之间的相互作用有直接的关系，也与它们在切削过程中的时长以及切削地点有关。一般施加超声振动在普通切削系统中，切削时工件被切削处、工件以及刀具三者之间的相互作用都会发生变化。在小的范围内的频率高的振动会使工件的在切削过程中变化的不明显，但是刀具的摩擦以及它的损坏情况都会发生很大的改变，在刀具和工件之间会产生连续重复的运动，使得刀具前后的摩擦力周期性的发生变化，便于切屑的产生。在切削较难加工的材料时，刀具变面会出现“滞流层”，产生一种特殊的静摩擦。在切削系统加上超声振动后，静摩擦就会消失，动摩擦会代替它的位置，摩擦力会在很大程度上得到下降，便于切削过程进行。 以上的描述都在为一种新的切削方法做铺垫，这种方法就是振动切削。振动切削即是通过在切削刀具上加上超声振动，从而得到特殊的切削效果的方法。振动切削改变的切削原有的方式，降低了切削温度以及工件与刀具之间产生的力，缩短了加工时间，使加工出的工件表面粗糙度降低。振动切削按频率分可以分为两类，低
